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寧波材料所在熱界面材料方面取得進展
作者:,日期:2019-02-21

  隨著半導體器件功率密度的提高,“散熱”已經成為阻礙電子設備性能和壽命的首要問題。據統計,電子器件的溫度每升高10℃-15℃,其相應的使用壽命將會降低50%。因此,開發用于高功率密度熱管理的高性能熱界面材料顯得尤為重要。

  近日,中國科學院寧波材料技術與工程研究所表面事業部功能碳素材料團隊與合作者制備了一種基于石墨烯紙的高性能熱界面材料。該材料的制備流程如圖1a所示:首先采用正硅酸乙酯(TEOS)于弱堿性環境中水解的方法在氧化石墨烯(GO)表面修飾納米二氧化硅顆粒(SiO2 NPs);然后將得到的GO/SiO2 NPs與石墨烯粉末混合,并采用抽濾的方法制備復合石墨烯薄膜,實現納米尺度的硅源(SiO2 NPs)均勻分布于石墨烯層間;最后對該復合石墨烯薄膜進行快速熱處理,將硅源原位轉化成碳化硅納米線,得到具備碳化硅-石墨烯復式結構的石墨烯紙(Graphene hybrid paper,GHP),其斷面結構如圖1b所示。

  由于連接于石墨烯層間的碳化硅納米線形成了縱向的導熱通路,GHP的縱向熱導率(10.9W/mK)相對于石墨烯紙(GP,6.8W/mK)提高了60%。另外,如圖1c所示,在75psi的壓應力下,壓縮狀態下GHP的縱向熱導率被進一步提高到17.6W/mK,高于傳統的石墨烯紙以及大部分的商用熱界面材料,包括導熱硅膠墊,導熱硅脂以及導熱凝膠等(圖1d)。

  在實際的熱界面性能評測實驗中,以GHP為熱界面材料的系統溫降高達18.3℃,超過商用熱界面材料溫降(8.9℃)的兩倍,散熱效率相提高了27.3%,實驗結果如圖2a-c所示。圖2d-e為CFD仿真軟件對散熱過程的模擬,結果顯示:GHP不僅有著較高的縱向熱導率,其接觸熱阻也低于主流的商用導熱墊。另外,相對于硅膠基的商用熱界面材料,GHP完全由無機的碳化硅和石墨烯組成,擁有更好的熱穩定性及環境適應性。目前相關的工作已經發表在ACS Nano (2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b07337)

  該研究工作獲得國家重點研發計劃(2017YFB0406000)、中科院裝備(YZ201640)、寧波市重大專項(2016S1002和2016B10038)以及寧波市國際合作(2017D10016)的資助。

圖1 GHP的制備流程及相關的結構、性能表征

 

圖2 GHP的熱界面性能測試及仿真

  (表面事業部 代文)

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